梅花井矿地面生命保障孔工程试验关键技术及应用

2022-06-22康玉国

煤矿安全 2022年6期

康玉国，张彪，张明

（北京大地高科地质勘查有限公司，北京100040）

煤矿和非煤矿山灾害频发，常常导致井下被困人员丧失生命。如果在事故发生后第一时间打通与被困人员的联系通道，及时提供有效的给养物资，在维持矿工生命的条件下，逐步开展进一步的救援工作，将大大降低事故伤亡率和财产损失[1-2]。2015 年我国平邑石膏矿坍塌事故和2021 年栖霞笏山金矿爆炸坍塌事故15 名被困矿工等成功救援实践进一步表明：“小直径生命保障孔＋大直径救援井＋提升技术装备”的模式是进行矿山灾害救援的一种有效途径[3-4]。小直径生命保障孔快速成孔、精准透巷成为此救援体系实施的前提，现有矿山应急救援技术多来自于石油钻井、煤田勘查钻井等，应用于矿山救援领域虽然取得了很大的进步，但在快速成孔和井眼轨迹控制方面，仍然还有很多关键性技术还未攻克，尤其对松散覆盖层、强含水层、裂隙发育等复杂地层难以实现精准、快速钻进[5-6]。宁夏梅花井矿地面生命保障孔示范工程试验，针对矿区地质条件，以快速、精准钻进为主线，分析其快速钻进和精准定向的影响关系，通过集成新技术、新方法，解决快速成孔、精准钻进与防漏、防塌等关键难题，为复杂地质条件下生命保障孔快速精准钻进技术组合的建立提供现场依据，取得的工艺技术和成果数据具有重要的矿山应急救援示范意义。

1 梅花井矿地质条件与钻井工艺优选

1.1 梅花井矿地质条件梅花井矿

梅花井矿位于宁夏回族自治区宁东煤田鸳鸯湖背斜东翼中部，矿区构造整体呈近南北走向，由西向东倾伏的单斜构造。倾角向东逐渐变缓，复杂程度评价为简单构造。梅花井矿生命保障孔钻遇地层倾角约为17°。

生命保障孔设计井深670 m，钻遇地层从老到新依次为：侏罗系中统延安组（J2y）、直罗组（J2z）、安定组（J2a）和第四系（Q）。影响生命保障孔施工的含水层依次为侏罗系上统安定组裂隙孔隙水含水层、直罗组下段裂隙孔隙水含水层、延安组砂岩裂隙孔隙含水层。据地质及水文资料，施工风险主要有：①表层为第四系黄土层，下部有砾石，钻进过程中易掉块和卡钻；②安定组地层以灰褐、紫红、紫褐色粉砂岩和泥岩为主，夹灰白、灰绿色中-细粒砂岩，钻进过程中易漏失、缩径和坍塌；③直罗组地层大部分为细粒砂岩、中粒砂岩和粉砂岩，有大段的含水层，钻进过程中易漏失、缩径和坍塌；④延安组地层为粉砂岩、细粒砂岩、中粒砂岩和煤层，钻进过程中要砂层（含水层）漏失，及频繁互层胶结面不稳定易坍塌，煤层遇水膨胀缩径及坍塌；⑤地层倾角大、岩层各向异性强，地层自然造斜能力强，井眼易偏斜。

1.2 复杂地层与钻井工艺适应性

生命保障孔施工必须坚持快速和精准2 个根本原则，要求选择的钻井工艺具备机械钻速快，钻进深度大，井下安全事故少等能力，以及设备安装方便适配性强，施工流程简洁高效，使用钻具、配件及泥浆材料易在当地补充或更换，以避免非生产时间过长，而影响成孔速度。综合现场救援对快速成孔的需求，对泥浆复合钻进、高压射流钻进、空气钻进、潜孔锤跟管钻进等技术进行综合评价。

1）提高机械钻速与硬岩层钻进能力方面。高压射流钻进采用水力破岩和机械破岩方式[7]，在一般地层中钻进能力最快，但对增压设备要求高；空气潜孔锤钻进的冲击破碎更有利于提高硬地层的钻进速度，因为在钻进坚硬的磨蚀硬地层时，冲击破岩比剪切破岩效果更好[8-9]，而且采用空气钻进技术，由于井中使用的循环介质是没有重力的气柱，改变了井底应力的状态，在钻头前方的完整地层中形成大范围的低应力区域，以促进岩石碎裂。当井中充满气体时，这种拉应力具有破坏岩石的作用，也有利于剪切破裂；空气潜孔锤跟管钻进不仅具有空气钻进的技术优势，还节省了下套管的时间，使成孔速度大大加强[10]；泥浆复合钻进由于动力钻具的加持，能够大幅度提高机械钻速[11-12]。

2）防斜纠斜能力方面。空气钻进技术应用于直井时，具备较强的防斜纠斜能力，但精准纠斜和定向钻进技术还不成熟，施工定向斜井效果不佳，随着空气螺杆等的发展与成熟，会极大的推动空气钻进技术的发展。泥浆复合钻进采用PDC 钻头+单弯螺杆+无线随钻测斜仪（MWD）可实现定向滑动钻进，具有防斜、纠斜和精准钻进的能力[12]。

3）控制漏失、坍塌等地层处理能力方面。泥浆复合钻进遇到漏失地层，往往采用随钻堵漏、加堵漏剂、水泥浆灌注或下套管封隔等方法，遇到恶性漏失地层往往效果不佳[13-14]，空气钻进循环介质为空气或泡沫，在处理地层恶性漏失方面具有优势；泥浆钻进如果钻遇水敏岩层，循环介质和页岩中的水会发生物理和化学相互作用，降低泥页岩强度，导致井壁坍塌和颈缩等井下事故，空气钻井因为没有水做循环介质，因此不会导致井壁水化坍塌等事故的发生，但如果地层较为松软，易坍塌，空气钻井则不利于防塌处理[15-17]；空气潜孔锤跟管钻进由于套管对复杂地层的有效封隔，处理能力最强。

4）处理地层出水能力方面。空气潜孔锤钻进属于负压欠平衡钻进，地层水容易侵入钻孔，使黏土颗粒凝结膨胀，容易造成环空堵塞及卡钻事故，钻进时还需要克服水柱压力，如果出水量大于10 m3/h，岩屑上返困难，钻效降低甚至无法施工，因此钻遇含水量大地层时应及时更换其他钻进技术手段。

5）钻进深度能力方面。高压射流钻进与空气潜孔锤跟管钻进，适用于第四系松散覆盖层钻进，并需要配备大排量泥浆泵、空压机、增压机等，不适用于深井钻进，其他钻进技术适用于深井钻进。

综上，不同钻井工艺在各地层中施工时各有优劣，不同钻井工艺在地层中钻进时遇到各种复杂情况时的处理能力差异性也较大，不同钻井工艺钻进能力综合评价表见表1，不同钻井工艺与地层适应性表见表2。

表1 不同钻井工艺钻进能力综合评价表Table 1 Comprehensive evaluation table of drilling capacity of different drilling technologies

表2 不同钻井工艺与地层适应性表Table 2 Table of drilling technology and formation adaptability

1.3 生命保障孔工程试验钻井工艺优选

梅花井矿区地层倾角17°左右，岩层各向异性强，地层自然造斜能力高，空气钻进虽具有一定防斜纠斜能力，但在大倾角地层受地层自然造斜力影响较泥浆钻进大，且出现大斜度井时不能进行定向纠斜，难以满足精准钻进的要求。另外现场救援还需要钻进设备安装方便、适配性强，施工流程简洁高效，使用钻具、配件及泥浆材料易在当地补充更换，避免非生产时间过长影响成孔速度，泥浆钻进较空气钻进具有优势。

高压射流钻进与空气潜孔锤跟管钻进，适用于第四系松散覆盖层钻进，并需要配备大排量泥浆泵、空压机、增压机等，不适用于深井钻进。

空气潜孔锤钻进适用于干旱缺水地区和地表出露岩石地区，其钻进效率比泥浆钻进高，而且潜孔锤钻进不使用水及泥浆材料，因此在提高生产效率、降低施工成本目的方面具有优势，梅花井矿所在地区水源充足，空气潜孔锤优势不明显；适宜钻进较硬地层，在第四系表土层尤其是松软土层冲击钻进时，容易造成孔壁垮塌，钻进裂隙发育的地层时，由于空气漏失、岩屑很难返出，造成空气潜孔锤钻进无法施工；空气潜孔锤属负压欠平衡钻进，地层水容易侵入钻孔，安定组与直罗组存在多个含水层，富水性中等，部分层算出水量大于10 m3/h，钻效将降低甚至无法施工。

空气泡沫钻进对于地层的适应性较好，尤其适用于恶性漏失地层，但同样存在防斜能力差，出现大斜度井无法纠斜的缺点，而且空气泡沫钻进配套设备多，泡沫液的配制、灌注、消泡等要求高，工艺相对复杂，造价较高。

综合以上分析，工程试验选用泥浆复合钻井工艺。通过调整泥浆性能，来预防井塌井漏等复杂条件，相较其他钻井工艺处理井内风险更加灵活，适用地层更加广泛；泥浆复合钻进属于近平衡钻进，受出水量影响较小；出现大斜度井时，可使用单弯螺杆+随钻测斜仪（MWD）等定向工具组合进行纠斜，实现钻井轨迹的精准控制；针对梅花井矿地质条件，通过优化PDC 钻头、钻井液性能和钻进参数，使用螺杆动力钻具和大排量泥浆泵等手段能够实现生命保障孔的防斜打快。

2 生命保障孔快速精准钻进关键技术优化

2.1 井身结构优化

井身结构设计合理与否，是关系到生命保障孔能否精准透巷，完成救援任务的首要问题。为减少下套管用时时间，生命保障孔采用套管程序力求简单，考虑到钻井安全性及实用性的总体特点，本次工程试验采用二开结构设计，梅花井矿生命保障孔工程试验井身结构图如图1。

图1 梅花井矿生命保障孔工程试验井身结构图Fig.1 Structure diagram of life support engineering test shaft in Meihuajing Mine

一开表层套管以封固松散层、漏失层及易垮塌层等复杂地层为主，防止井下事故，采用大尺寸钻头钻进，保证开钻井眼、完钻井眼相对较大，为后续井段钻头和套管的选择留有余地，选择φ311.1 mm 钻头开井眼，下入φ244.5 mm 表层套管，下入套管后，直接进行二开钻进。

二开钻进以防斜、防漏、防塌为主，选择φ215.9 mm 钻头，钻至+697 m 水平车场以下15 m 完钻，下入φ177.8 mm 技术套管，利用常规法进行固井。

实际抢险救援时，二开快速精准钻进至在距离巷道10～15 m 处时应停钻，鉴于二开套管下入后，无论固井与否，井筒中充满泥浆或清水，继续采用泥浆钻进透巷，会导致泥浆或清水灌入巷道中，对被困人员造成二次伤害。因此在透巷段裸眼钻进时，先下入小直径常规钻杆至井底，接入空压机将井筒中钻井液吹干，用空气潜孔锤继续钻进10～15 m 实现透巷。

2.2 钻具组合优化

鉴于矿山救援快速钻进的需要，生命保障孔钻具组合须具备以下几点要求：能有效地控制井眼全角变化率及井斜角，从而保证井身质量；钻头工作的稳定性高，并能施加较大的钻压，有利于提高钻速；为了起下钻顺利节省非钻进时间，在可能的条件下组合应尽量简化。生命保障孔工程试验钻具组合见表3。二开主井段采用单弯螺杆+无线随钻仪器（MWD）跟踪调整井眼轨迹。

表3 钻具组合表Table 3 Bottom hole assembly table

2.3 钻头优选设计

根据梅花井矿地质条件和邻井岩层特性分析，优化设计一款适合于中软岩地层快速钻进的PDC钻头，形成一趟钻提速增效关键技术，优化设计流程如下：

1）岩石力学分析。利用岩石力学分析软件，分析邻井地层测井资料，根据其声波、伽马数据，计算各岩层力学性能，为PDC 钻头选型及优化设计提供定量的分析数据，初步建立PDC 钻头选型，生命保障孔PDC 钻头初步选型表见表4。

表4 生命保障孔PDC 钻头初步选型表Table 4 Preliminary selection of PDC bit for life support hole

2）力平衡计算。根据钻头初步选型及本井给出的地质数据及每米岩性分析建立PDC 钻头、井底和井壁的数字化几何模型；分析基于PDC 钻头的切削齿工作表面与岩石的互作用关系；建立不同规则形状（圆、椭圆）PDC 工作面的接触区域、接触面积、切削面积切削体积和横向不平衡力的计算方法和误差验证分析；建立PDC 工作面不同程度磨损条件下接触区域、接触面积、切削面积和切削体积的计算方法和误差验证分析；利用计算机仿真技术模拟在不同工作参数和均质地质环境条件下，切削齿的运动轨迹和整体切削痕迹；分析不同地质条件PDC 钻头穿历不同夹层时切削齿工作表面与岩石的动态互作用关系；分析PDC 钻头存在公转（即钻头中心与井眼中心不重合）情况下切削齿侧面对切削力的影响，建立相应公转模型和接触区域、接触面积、切削面积和切削体积。根据力平衡计算，优化齿位的分布及每颗齿位的角度，使每颗齿都能极大的发挥其作用。

3）优化流体分析技术。在初步建模的基础上，采用Siemens 的CAE 仿真验证，提供给每个设计钻头做井底流场优化，计算出最贴切实际的流道，有效减小泥包风险，同时提高钻头复合片在井底工作寿命。钻头流体优化分析图如图2。

图2 钻头流体优化分析图Fig.2 Analysis diagram of bit fluid optimization

4）水马力优化方案。根据钻头特性、泥浆性能和钻具组合情况，优化PDC 钻头最佳水力配置，计算出适合本地区最佳的水眼配置：2 个φ16 mm+5 个φ14 mm。水马力优化模拟图如图3。

图3 水马力优化模拟图Fig.3 Simulation diagram of hydraulic horsepower optimization

5）建模确定。综合多方位优化方案及产品全面三维PDC 钻头模型优化，最终确定优化后PDC 钻头效果，钻头由成都奥尤菲德公司制作完成。试验验证表明：优化后的钻头有利于井斜和方位的控制，保径齿的增加增强了侧向切削能力及耐磨性，整体磨损轻微，显示出适合于本区块地层钻进的特性。优化PDC 钻头效果图图4。

图4 优化PDC 钻头效果图Fig.4 Effect of optimized PDC bit

2.4 钻进参数优化

根据泥浆性能、钻头参数及单弯螺杆性能参数，优化钻进参数组合，其中以水力参数优化为重点，优化设计排量与立管压力，以充分发挥动力螺杆钻具效果，提高清岩和水力破岩效果。生命保障孔钻进参数表见表5。

表5 生命保障孔钻进参数表Table 5 Life support hole drilling parameters table

2.5 井眼轨迹控制

钻进过程中根据设计要求不断调整钻头轴线方向，控制不同深度处钻孔井斜角和井斜方位角，即不断调整钻头工具面角。采用MWD+1.5°单弯螺杆钻具组合，利用孔内泥浆脉冲探管测量钻孔轨迹参数（倾角和方位角）及螺杆马达工具面向角并传递至孔口计算机，通过计算机内软件处理后得到实际钻孔轨迹及其与设计钻孔轨迹偏差情况；定向人员分析偏差情况，在需要纠斜时通过调整螺杆马达工具面角实施滑动定向钻进，在稳斜时实施复合钻进，实现在复杂地层中精确、高效钻进。井眼轨迹控制示意图如图5。

图5 井眼轨迹控制示意图Fig.5 Schematic diagram of well trajectory control

3 工程试验应用及成果

3.1 工程试验结果

梅花井矿生命保障孔工程试验流程图如图6。梅花井矿地面生命保障工程试验采用T200XD 顶驱车载钻机，钻机提升、回转能力性能优良，配备大排量泥浆泵（F－1300），优化设计了适用于矿区钻进用的PDC 钻头、钻井液和钻进参数，采用PDC 钻头+1.5°单弯螺杆+MWD 仪器钻具组合实现钻井轨迹控制和快速钻进。生命保障孔钻达实际井深670.5 m（不含机高1.68 m），用时46.83 h，完钻平均钻速14.32 m/h，井底水平位移0.27 m，满足600 m 深钻孔72 h 黄金救援时间内成孔要求，实践成果先进，应用效果显著。

图6 梅花井矿生命保障孔工程试验流程图Fig.6 Flow chart of life support hole engineering test in Meihuajing Mine

3.2 复杂地层快速精准钻进新技术集成技术

大倾角-中软-涌水地层快速精准钻进技术组合图如图7。针对梅花井矿大倾角、中软及涌水等复杂地层情况，基于泥浆复合钻进和轨迹控制理论，形成复杂地层的快速精准钻进新技术集成，以液压车载钻机和大排量泥浆泵为关键设备，以优化PDC 钻头、增加液动单弯螺杆钻具、使用无线随钻仪（MWD）为关键钻具组合方式的大倾角地层快速精准钻进技术。实现了既可以复合快速钻进，又可以采用滑动钻进、复合钻进、调整工具面、选择钻具造斜率等手段进行钻井轨迹控制，有效解决了大倾角地层下自然造斜力大而导致的井眼偏斜严重、井壁失稳等难题，为地面生命保障孔实现快速精准透巷提供了极为重要的技术方法。